復雜條件下盾構穿越既有鐵路線隆沉控制

陳松潔

（無錫地鐵集團有限公司建設分公司，江蘇 無錫 214000）

隨著城市軌道交通的進一步規劃和發展，新建地鐵線路不可避免地與既有鐵路線出現交叉重疊，故在建設施工過程中需要使用盾構機完成盾構區間對既有鐵路線的穿越。由于鐵路運行的特殊性和對安全性的要求，其對地面隆沉變化極為敏感，因此在盾構穿越施工中需要對施工方法和施工參數進行嚴格的控制。通過地面監測數據的反饋，分析地面隆沉變化與盾構施工的規律和關系，不斷優化調整施工方法和參數，找到關鍵性的影響因素，分析造成影響的機制，實現對地面及鐵路隆沉變化的有效控制。

1 工程簡介

江蘇省某城市地鐵項目，“三院站—火車站”盾構區間使用直徑為6.4m的土壓平衡式盾構機施工，始發后，先以半徑R=300m左轉，后以半徑R=300m右轉及28‰坡度上坡，途中依次斜穿京滬普速鐵路和滬寧城際高鐵，最終到達火車站完成盾構接收。

該工程穿越的京滬普速鐵路和滬寧城際高鐵為正常運營中的既有鐵路線，具體情況如下：

（1）京滬普速鐵路共6股道（2股正線，4股到發線），含2副道岔，平面斜穿角度為60°，基礎為未經加固處理的砕石道床。盾構開挖面為全斷面⑥1黏土，其上層依次為④2砂質粉土、③2粉質黏土、①1雜填土，對施工有影響的地下水主要為賦存在④2砂質粉土的微承壓水。此段隧頂埋深15.5～16.4m。

（2）滬寧城際高鐵共7股道（2股正線，5股到發線），含2副道岔，平面斜穿角度為40°，部分區域基礎使用混凝土板加固，除了#7股道及1副道岔，其余股道和道岔均位于混凝土板加固范圍內。盾構開挖面為⑥1黏土（占比20%）和④2砂質粉土地層（占比80%），其上層依次為④2砂質粉土、③2粉質黏土、①1雜填土。此段隧頂埋深12.9～14.3m。

2 施工難點

在該工程盾構穿越既有鐵路線施工中，條件復雜、標準嚴苛，施工難度高，具體分析如下：

（1）鐵路情況復雜。在該工程中，所穿越的既有鐵路線位于火車站進出站區，線路多、車流量大，有4副道岔，施工過程中需連續穿越。鐵路基礎情況復雜，部分為未加固碎石基礎，部分為混凝土板基礎。

（2）盾構線路特殊。在盾構穿越段，線路正處于R=300m小半徑轉彎和28‰上坡，盾構機姿態控制難度高，周圍土體擾動較一般情況下增大，另外盾構機受轉彎影響，一些設備會出現一定的不適。穿越段的地層處于變化段，從單一地層向多地層變化，兩種地層物理性能差別極大，施工參數需實時調整。

（3）隆沉變化控制標準嚴苛。根據相關規范及鐵路單位要求，京滬普鐵單次測量沉降速率預警值為2mm，累計變化預警值為10mm；滬寧城際高鐵單次測量沉降預警值為1mm，累計變化預警值為2mm。

3 隆沉變化控制

在盾構施工中，地面隆沉變化主要來自盾構施工對土體的擾動，而造成土體擾動的因素很多，不同因素的影響程度也不盡相同，為了控制地面隆沉變化，就要分析造成土體擾動的不同因素的影響機理和程度，制定合適的施工方法和施工參數。

3.1 造成土體擾動的因素

（1）刀盤切削土體。刀盤切削土體時，對土體主要有刀盤剪切擠壓、土倉壓力傳遞等作用，主要體現在盾構機前方，因而當監測顯示盾構機前方出現變化時，可以認為是刀盤造成的。刀盤剪切和擠壓土體與刀盤轉速和推進速度有關，當轉速與推進速度相匹配或者略高當前推進速度所需的切削速度時，刀盤的切削擠壓所帶來的土體擾動都很小，可以忽略此時對土體帶來不利影響。土倉壓力主要受螺旋機出土速度和推進速度之間的匹配程度以及添加劑（氣、水、泡沫劑和膨潤土等）的影響，設定土倉壓力時，既不能因太小而導致前方土體失穩滑移坍塌，又不能因太高而導致土體受擠壓向四周隆起。

（2）同步注漿。同步漿液主要用于填充刀盤開挖形成的空間與管片之間的空隙，按照理論計算量乘以合適的充填系數進行設定。當注漿量過大時，漿液擠壓周邊土體會造成地面隆起，反之則會造成地面沉降。由于漿液作用于盾尾，因此當監測數據顯示盾尾出現變化時，可以認為是同步注漿造成的。

（3）盾體擠壓土體。當盾構機處于轉彎或者上下坡時，由于盾構姿態不斷變化，盾體在土體中會出現橫向位移或滾動，對土體產生擠壓作用，因此當監測顯示盾體上方變化時，可以認為是盾體擠壓土體造成的。

（4）管片擠壓土體。盾構機向前推進時，推力來自管片所提供的反力，管片受力后會發生位移，對土體造成擠壓，在轉彎或者變坡段時尤為明顯。除了管片受盾構機推力造成位移，自身上浮時也對上方土體有擠壓作用，因而當監測數據顯示后部成型隧道上方變化時，可以認為是管片擠壓土體造成的。刀盤與土體、管片與土體之間作用力如圖1所示。

圖1 刀盤與土體、管片與土體之間作用力示意圖

3.2 施工方法的制定

盾構施工參數設定時，雖然部分參數可以通過計算得出，但無法保證能夠完全適合當前工況，故應選取合適位置進行試推進，通過試推進檢驗預先設定的參數，提前進行調整以得出最合適的一套參數。在選取試推進位置時，應考慮土層、埋深、線路情況等，力求與穿越鐵路段相類似，這樣才能更好地發揮預測作用。

在該工程施工時，選取此區間前半部某一段作為試推進段，此段與實際穿越段相比：（1）土層分布相似，部分開挖斷面為全段面⑥1黏土，部分為⑥1黏土和④2砂質粉土地層；（2）埋深類似，實際穿越段埋深12.9～16.4m，試驗段埋深12～14m；（3）線路情況部分類似，實際穿越段為右轉彎和上坡，試驗段為左轉彎和下坡。平面線形同為轉彎，可以較好地反映轉彎段掘進情況，縱坡條件不同，不具有明顯參考意義。

通過試推進段施工，得到一套施工參數：土倉壓力0.20～0.21MPa，推進速度20～30mm/mim，推力10000～11500kN，刀盤轉速1.1r/min，刀盤扭矩2300～2600kN·m，出土量37.5～40m3，同步注漿量3.3～3.7m3。

3.3 施工參數設定及調整

在刀盤距離京滬普速鐵路20環時，考慮到試推進段與當前段埋深不同，土壓繼續按照當前保持，其他參數按照試推進段所取得的參數進行掘進，同時關注監測數據，實時調整，在此選取其中一次調整過程進行闡述：

（1）當掘進至472環時，盾構機位于滬寧城際高鐵下方，地面監測數據顯示3股道出現隆起，單次變化量已接近預警值，有繼續增加的趨勢。

（2）對當前施工參數收集：推力為11000～13000kN、掘進速度為20～30mm/min、土壓為2.1～0.23MPa、注漿量為4.0～4.2m3、注漿壓力為0.3～0.32MPa。

（3）研判當前監測數據，發現出現隆起的監測點多數位于盾尾，初步推測同步注漿量過多。另有少部分監測點位于刀盤附近，由于當前處于上坡階段，因此埋深不斷減小，推測土壓設定值偏高。

（4）根據初步推測，土壓減小至0.20～0.21MPa，同步注漿量調整為3.6～3.8m3，其他暫不調整。

（5）以此參數推進1d后，發現隆起的監測點增多，一部分仍為之前的監測點，隆起速率有所降低，另一部分為新出現的，距離盾尾較近。據此分析，在盾構剛進入高鐵時，僅有盾構前方向上的分力間接作用于混凝土板，隨著盾尾進入高鐵下方，盾構機后方管片徑向應力逐漸產生，在兩個應力作用下，原有混凝土板結構受力平衡被打破，后方監測點變化速率加大，采取措施后，逐漸降低，趨于平穩，隨著脫離筏板下方，作用在筏板上的垂直分力和后方管片徑向應力逐漸消失，最終平衡后穩定。

（6）根據以上分析，需要減小盾構機對后方管片的作用力，降低推進速度，從而減小推力，同時將推進過程分為3次完成，每推進0.4m后停機10min，推進完成后交替收回推進油缸，借此釋放推進油缸與管片之間、后部相鄰管片之間應力，減小盾體和后方隧道對土體的擠壓。

（7）采取以上措施后，監測數據恢復正常，后方監測點變化速率明顯減小，說明此次原因分析正確、調整措施合適。

4 結論

此次施工過程中單次和累計隆沉變化值均未達到預警，鐵路運行正常，盾構施工質量和進度滿足要求，總體施工成功，總結如下：（1）在進行穿越既有鐵路線施工前，選取工況相似段進行試推進，獲得一套經過驗證的成熟的施工參數，用以指導后續施工；（2）密切關注監測數據，一旦出現異常及時組織分析，根據分析結果做出第一次參數調整，隨后利用監測數據進行驗證，視情況再次進行調整，直至數據恢復正常；（3）關注影響地面變化的關鍵施工參數，如土壓、同步注漿量，這兩個參數對土體作用較為直接，對地面隆沉變化影響較大；（4）結合具體工況，考慮盾體、管片對土體的作用力，對推進和拼裝方法做出調整，以適應當前條件下施工。